CN106184350B - 一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法，融合了电动助力转向、主动前轮转向、线控转向三种转向系统，基于四轮转向平台，既可以发挥出三种转向系统的优势，同时车辆可根据车辆行驶的状态信息调整车辆的工作模式，可提升驾驶员的驾驶乐趣，又可以借助四轮转向提高车辆低速时的转向灵活性和高速时的操纵稳定性。

Description

一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法

技术领域

本发明属于四轮转向技术领域，具体指代一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法。

背景技术

四轮转向技术(4WS)，并不是一项新兴的技术，早在20世纪初，日本政府颁发的四轮转向专利证书开启了人们对四轮转向技术的研究。该系统不仅可以提高汽车低速行驶的灵活性，而且可以改善汽车高速行驶时的稳定性和安全性。

四轮转向系统可分为主动后轮转向系统(即传统的四轮转向系统)和全四轮转向系统(即基于线控技术的四轮主动转向系统)。

主动后轮转向系统在结构上可分为机械式四轮转向系统、液压式四轮转向系统、电控电动式四轮转向系统和复合式四轮转向系统，其中机械式四轮转向系统的前后转向齿轮箱用传动轴直接连接，来自前轮传递过来的旋转运动经过后齿轮箱里的行星齿轮转换成往复运动，在高速行驶时如果遇到紧急情况，如果方向盘转角很大，将加剧车辆的过度转向，导致车辆失控。液压四轮转向系统可以采用液压控制和电子控制两种控制方式。转动方向盘产生的液压被传到控制后轮的控制阀上，使滑阀移动，从而控制油泵的油路把液压传至后轮转向的动力缸，实现液压推动后轮转向。液压式四轮转向系统的问题是需要专门设计一套油路及密封，要想实现后轮转角随车速的变化需要设计比较复杂的液压油路才能实现，同时还存在液压油的泄露问题。电控电动式四轮转向系统相比于前两种转向系统则显得更加有优势，但传统的电动式四轮转向系统前轮转向系统是一般的机械转向系统。复合式四轮转向系统大都将电动式和液压式结合起来，依然会存在油路复杂和漏油等缺点，消耗很大。而主动四轮转向系统虽然可以提升车辆的性能，但是由于线控技术方向盘与转向器之间没有机械连接，造成了车辆的可靠性差。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多模式的四轮转向系统及转向模式控制方法，以解决上述现有技术中四轮转向系统在车辆使用中出现的液压油泄露、车辆可靠性差等问题。

为达到上述目的，本发明的一种多模式的四轮转向系统，包括：前轮转向系统和后轮转向系统；前轮转向系统为融合电动助力转向系统的主动转向系统；后轮转向系统为一独立于前轮转向系统的线控转向系统，以及

还包括：小齿轮转角传感器、齿条位移传感器、前轮转角传感器、后轮转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器和通过CAN总线相连的前后轮ECU；小齿轮转角传感器和齿条位移传感器分别位于齿轮齿条转向器的小齿轮轴和齿条处，上述二者的信号和车轮转角信号基本呈线性关系，可以与车轮转角信号一起判断车轮转角大小，以防传感器故障；前后轮转角传感器将前后轮转角传递到前后轮ECU，形成闭环控制；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器则将车辆的状态信息传递到前轮ECU，前轮ECU根据CAN总线传来的包含车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向模式信号的决定前后转向电机的电压信号，前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机产生转矩经过蜗轮蜗杆减速器，双行星排形成独立于转向盘传递到双行星排的附加转角，并与转向盘传递的转角叠加经由齿轮齿条转向器，前轮转向横拉杆，得到前轮转角；后轮转向电机的电压信号经过后轮转向电机产生转矩，再经过齿轮齿条转向器，后轮转向横拉杆到后轮轮胎，得到后轮转角。

优选地，上述的前轮转向系统包括：转向盘、转向盘转角传感器、输入轴、转矩传感器、双行星排、前轮转向电机、蜗轮蜗杆减速机构、助力电机、电磁离合器、输出轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎、前轮ECU；转向盘、输入轴、转矩传感器、双行星排、蜗轮蜗杆减速机构、输出轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连，转矩传感器通过扭杆连接在输入轴，输入轴与输出轴通过双行星排相连，前轮转向电机通过蜗轮蜗杆减速器与双行星排相连，助力电机通过电磁离合器，蜗轮蜗杆减速机构与输出轴相连；后轮转向系统包括：后轮ECU、后轮转向电机、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎；后轮转向电机、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎顺序连接。

优选地，所述的助力电机是前轮ECU根据车速信号和驾驶员的转矩根据助力特性曲线得到目标电流，前轮ECU给助力电机一个电流信号，助力电机输出转矩经过电磁离合器，蜗轮蜗杆减速机构与双行星排传递下来的驾驶员转矩叠加，实现助力。

本发明的一种多模式的四轮转向系统转向模式控制方法，包括如下：

当横摆角速度w_r＞w_r0系统的工作模式为e模式；当横摆角速度w_r＜w_r0，车速v＜v₀，转向盘转角θ_s＜θ_s0，前轮转角δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为a模式；当w_r＜w_r0，v＜v₀，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为d模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＜θ_s0，δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为b模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为e模式；c模式为系统的应急模式，当前轮转向失效时，系统则会进入c模式，且时间较短，提醒驾驶员刹车；当v₀＜v＜v₁时，系统会维持所处模式，即加速时系统会维持a模式或d模式，减速时系统会维持b模式和e模式；

(a)电动助力前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机工作，前轮转向电机和后轮转向电机不工作；

(b)主动前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机和前轮转向电机工作，而后轮转向电机不工作；

(c)线控后轮转向模式，这种模式下，前轮转向失效，后轮转向电机工作；

(d)电控电动式四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机和后轮转向电机工作，而前轮转向电机不工作；

(e)主动四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机，前轮转向电机和后轮转向电机均工作。

本发明的有益效果：

1、本发明融合了电动助力前轮转向系统，主动前轮转向系统，线控转向系统三种转向模式，可以发挥出三种转向系统各自的优势；

2、本发明基于四轮转向平台，在三种转向系统的基础上，通过四轮转向系统更加提高了车辆的转向灵活性；

3、本发明通过多种转向模式，可以增加驾驶员的驾驶乐趣，提高了车辆的操纵稳定性；

4、本发明考虑了前轮转向失效与后轮转向失效的情况，通过双ECU，小齿轮轴转角传感器，齿条位移传感器等附加设计，增强了系统在前轮转向失效和后轮转向失效等特殊情况下的可靠性。

附图说明

图1绘示本发明系统的结构原理框图；

图2绘示本发明转向模式控制方法的示意图；

附图说明：1.转向盘，2.输入轴，3.转矩传感器，4.前轮转向电机，5.蜗轮蜗杆减速器，6.双行星排，7.助力电机，8.蜗轮蜗杆减速机构，9.电磁离合器，10.输出轴，11.前轮齿轮齿条转向器，12.前轮转向横拉杆，13.前轮轮胎，14.后轮转向电机，15.后轮齿轮齿条转向器，16.后轮转向横拉杆，17.前轮ECU，18.转向盘转角信号，19.车速信号，20.转向模式信号，21.横摆角速度信号，22.转矩传感器转矩信号，23.电压信号，24.电流信号，25.电动机转角信号，26.侧向加速度信号，27.前轮转角信号，28.后轮转角信号，29.CAN总线，30.后轮ECU，31.电压信号，32.后轮轮胎。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种多模式的四轮转向系统，包括：前轮转向系统和后轮转向系统；该前轮转向系统为融合电动助力转向系统的主动转向系统，其包括：转向盘1、转向盘转角传感器、输入轴2、转矩传感器3、双行星排6、前轮转向电机4、蜗轮蜗杆减速机构8、助力电机7、电磁离合器9、输出轴10、前轮齿轮齿条转向器11、前轮转向横拉杆12、前轮轮胎13、前轮ECU17；转向盘1、输入轴2、转矩传感器3、双行星排6、蜗轮蜗杆减速机构8、输出轴10、前轮齿轮齿条转向器11、前轮转向横拉杆12、前轮轮胎13依次相连，转矩传感器通过扭杆连接在输入轴，输入轴与输出轴通过双行星排相连，前轮转向电机通过蜗轮蜗杆减速器与双行星排相连，助力电机通过电磁离合器，蜗轮蜗杆减速机构与输出轴相连；后轮转向系统为一独立于前轮转向系统的线控转向系统，其包括：后轮ECU30、后轮转向电机14、后轮齿轮齿条转向器15、后轮转向横拉杆16、后轮轮胎32；后轮转向电机14、后轮齿轮齿条转向器15、后轮转向横拉杆16、后轮轮胎32顺序连接。

还包括：小齿轮转角传感器，齿条位移传感器，前轮转角传感器，后轮转角传感器，横摆角速度传感器，侧向加速度传感器和通过CAN总线相连的前后轮ECU；小齿轮转角传感器和齿条位移传感器分别位于齿轮齿条转向器的小齿轮轴和齿条处，上述二者的信号和车轮转角信号基本呈线性关系，可以与车轮转角信号一起判断车轮转角大小，以防传感器故障；前后轮转角传感器将前后轮转角传递到前后轮ECU，形成闭环控制；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器则将车辆的状态信息传递到前轮ECU，前轮ECU根据CAN总线传来的包含车速信号19、横摆角速度信号21、侧向加速度信号26、转向盘转角信号18、转向盘转矩信号22、转向模式信号20的决定前后转向电机的电压信号23、31，前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机4产生转矩经过蜗轮蜗杆减速器5，双行星排6形成独立于转向盘1传递到双行星排的附加转角，并与转向盘1传递的转角叠加经由齿轮齿条转向器11，前轮转向横拉杆12，得到前轮转角；后轮转向电机的电压信号经过后轮转向电机14产生转矩，再经过齿轮齿条转向器15，后轮转向横拉杆16到后轮轮胎32，得到后轮转角。

所述的助力电机7是前轮ECU17根据车速信号19和驾驶员的转矩根据助力特性曲线得到目标电流，前轮ECU17给助力电机7一个电流信号24，助力电机输出转矩经过电磁离合器9，蜗轮蜗杆减速机构8与双行星排6传递下来的驾驶员转矩叠加，实现助力。

后轮ECU30根据电动机转角信号25和后轮转角信号28，可实现后轮ECU对后轮的闭环控制，即通过目标后轮转角和实际后轮转角信号的差调整后轮转向电机的电压，电动机转角信号为辅助判别信号，可防止电机后轮转向电机故障。

参照图图1、图2所示，本发明的一种多模式的四轮转向系统转向模式控制方法，前轮ECU17、后轮ECU30根据CAN总线29传来的车速信号19，传感器的横摆角速度信号21，转向盘转角信号18，前轮转角信号27等信号进行模式的切换，具体包括如下：

当横摆角速度w_r＞w_r0系统的工作模式为e模式；当横摆角速度w_r＜w_r0，车速v＜v₀，转向盘转角θ_s＜θ_s0，前轮转角δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为a模式；当w_r＜w_r0，v＜v₀，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为d模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＜θ_s0，δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为b模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为e模式；c模式为系统的应急模式，当前轮转向失效时，系统则会进入c模式，且时间较短，提醒驾驶员刹车；当v₀＜v＜v₁时，系统会维持所处模式，即加速时系统会维持a模式或d模式，减速时系统会维持b模式和e模式；

(a)电动助力前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机7工作，前轮转向电机4和后轮转向电机14不工作；

(b)主动前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机7和前轮转向电机4工作，而后轮转向电机14不工作；

(c)线控后轮转向模式，这种模式下，前轮转向失效，后轮转向电机14工作；

(d)电控电动式四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机7和后轮转向电机14工作，而前轮转向电机4不工作；

(e)主动四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机7，前轮转向电机4和后轮转向电机均工作。

该四轮转向系统也可以通过驾驶员的操作切换转向模式，且驾驶员的操作优先级高于主动切换。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多模式的四轮转向系统，包括：前轮转向系统和后轮转向系统；前轮转向系统为融合电动助力转向系统的主动转向系统；后轮转向系统为一独立于前轮转向系统的线控转向系统，其特征在于，

还包括：小齿轮转角传感器、齿条位移传感器、前轮转角传感器、后轮转角传感器、横摆角速度传感器、侧向加速度传感器和通过CAN总线相连的前后轮ECU；小齿轮转角传感器和齿条位移传感器分别位于齿轮齿条转向器的小齿轮轴和齿条处，上述二者的信号和车轮转角信号基本呈线性关系，可以与车轮转角信号一起判断车轮转角大小，以防传感器故障；前后轮转角传感器将前后轮转角传递到前后轮ECU，形成闭环控制；横摆角速度传感器和侧向加速度传感器则将车辆的状态信息传递到前轮ECU，前轮ECU根据CAN总线传来的包含车速信号、横摆角速度信号、侧向加速度信号、转向盘转角信号、转向盘转矩信号、转向模式信号的决定前后转向电机的电压信号，前轮转向电机的电压信号使前轮转向电机产生转矩经过蜗轮蜗杆减速器，双行星排形成独立于转向盘传递到双行星排的附加转角，并与转向盘传递的转角叠加经由齿轮齿条转向器，前轮转向横拉杆，得到前轮转角；后轮转向电机的电压信号经过后轮转向电机产生转矩，再经过齿轮齿条转向器，后轮转向横拉杆到后轮轮胎，得到后轮转角。

2.根据权利要求1所述的多模式的四轮转向系统，其特征在于，上述的前轮转向系统包括：转向盘、转向盘转角传感器、输入轴、转矩传感器、双行星排、前轮转向电机、蜗轮蜗杆减速机构、助力电机、电磁离合器、输出轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎、前轮ECU；转向盘、输入轴、转矩传感器、双行星排、蜗轮蜗杆减速机构、输出轴、前轮齿轮齿条转向器、前轮转向横拉杆、前轮轮胎依次相连，转矩传感器通过扭杆连接在输入轴，输入轴与输出轴通过双行星排相连，前轮转向电机通过蜗轮蜗杆减速器与双行星排相连，助力电机通过电磁离合器，蜗轮蜗杆减速机构与输出轴相连；后轮转向系统包括：后轮ECU、后轮转向电机、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎；后轮转向电机、后轮齿轮齿条转向器、后轮转向横拉杆、后轮轮胎顺序连接。

3.根据权利要求2所述的多模式的四轮转向系统，其特征在于，所述的助力电机是前轮ECU根据车速信号和驾驶员的转矩根据助力特性曲线得到目标电流，前轮ECU给助力电机一个电流信号，助力电机输出转矩经过电磁离合器，蜗轮蜗杆减速机构与双行星排传递下来的驾驶员转矩叠加，实现助力。

4.一种多模式的四轮转向系统转向模式控制方法，其特征在于，包括如下：

当横摆角速度w_r＞w_r0系统的工作模式为e模式；当横摆角速度w_r＜w_r0，车速v＜v₀，转向盘转角θ_s＜θ_s0，前轮转角δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为a模式；当w_r＜w_r0，v＜v₀，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为d模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＜θ_s0，δ_f＜δ_f0时，系统的工作模式为b模式；当w_r＜w_r0，v＞v₁，θ_s＞θ_s0时，系统的工作模式为e模式；c模式为系统的应急模式，当前轮转向失效时，系统则会进入c模式，且时间较短，提醒驾驶员刹车；当v₀＜v＜v₁时，系统会维持所处模式，即加速时系统会维持a模式或d模式，减速时系统会维持b模式和e模式；

(a)电动助力前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机工作，前轮转向电机和后轮转向电机不工作；

(b)主动前轮转向模式，这种转向模式下，助力电机和前轮转向电机工作，而后轮转向电机不工作；

(c)线控后轮转向模式，这种模式下，前轮转向失效，后轮转向电机工作；

(d)电控电动式四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机和后轮转向电机工作，而前轮转向电机不工作；

(e)主动四轮转向模式，这种转向模式下，助力电机，前轮转向电机和后轮转向电机均工作。